基于FPGA+DSP的喷气织机新型引纬控制系统的设计

喷气织机的引纬控制系统直接决定着喷气织机的运行效率、能耗、产品质量、平均无故障时间等关键性的指标，是喷气织机整个电控系统的核心之一[1]。市场上现存的喷气织机的引纬控制系统一般都是利用处理器和硬件电路两部分配合实现[2]，即引纬角度信号由处理器通过软件比较产生，单稳态信号产生部分和电磁阀驱动部分则由电子元器件组成的硬件电路实现。
这种控制系统归纳起来主要有以下3个缺点：(1)引纬信号是通过比较织机编码器的角度和预先设定的引纬打开关闭角度产生的。由于CPU的程序是顺序执行的，在比较这两个角度的过程中不可避免地存在不一致性，导致引纬的精度不高，引纬不稳定。(2)为了保证引纬电磁阀能够可靠打开，一般采用48 V电压打开电磁阀，并且要求信号持续时间为精确的8 ms。传统的方法是采用单稳态电路产生8 ms的信号，但是单稳态电路容易受到电阻电容精度和温度的影响，导致定时精度不高。(3)织机引纬电磁阀的电路多达几十路，需要几十个单稳态电路才能满足要求，电路复杂，可靠性差，价格昂贵[3]。
1 引纬控制系统方案设计
本文所提出的喷气织机新型引纬控制系统结构图如图1所示。采用DSP控制单元与上位机进行串行通信、与FPGA进行并行通信，以实现引纬参数的实时调整；FPGA可编程逻辑单元通过比较编码器的角度信号和设定角度信号产生引纬单稳态和保持信号；引纬单稳态和保持信号通过驱动电路控制电磁阀的动作。

2 引纬控制系统硬件设计
引纬控制系统的硬件主要由DSP控制及通信模块、FPGA信号产生模块和驱动电路模块三部分组成。
2.1 DSP控制及通信模块
DSP选用TI公司的TMS320LF2407A，它是TI公司专为工业控制设计的一款DSP，具有两个事件管理模块、SPI通信、SCI通信、CAN通信、AD转换等集成外设，其中事件管理模块包含PWM输出、比较、捕捉、正交编码输入等功能，可以完成除引纬之外的送经电机及卷取电机的控制、信号的监测、动作的控制等喷气织机的其他控制功能。与上位机通信的硬件电路采用DSP内部集成的CAN控制器和外部CAN收发器PCA82C250。
2.2 FPGA信号产生模块
FPGA选用ALTER公司的EP1C6Q240C8，它具有4 KB的内部RAM、近6 000个LE、2个PLL锁相环和185个I/O口，并具有差分输入功能，可以满足本控制系统的性能要求。FPGA模块主要完成织机角度信号的检测计算、并行通信、引纬信号的产生、信号的多路选择、高低压驱动信号产生等功能。
2.3 驱动电路模块
驱动电路采用双电压方式，其原理图如图2所示。输入信号IN1是8 ms的单稳态信号，控制48 V电源打开电磁阀；输入信号IN2是引纬的保持信号，控制9 V的电源以保持电磁阀的打开状态；为了保证足够的驱动能力，两路信号的驱动三极管都采用达林顿方式；双二极管D1是为了防止电源切换时48 V电源串接到9 V电源中；L1为引纬电磁阀，由于电磁阀为感性器件，在电磁阀关断时OUT端因电感的储能特性会出现一个比较高的负压，若产生的负压高于Q2和Q4三极管的最大承受电压，则可能会损坏Q2和Q4三极管。这里的亚敏电阻Y1就是消减过高负压的保护元件。

3 引纬控制系统软件设计
3.1 DSP控制及通信模块软件设计
在该模块中DSP采用CAN通信与上位机传递数据：DSP接收上位机设定的打开关闭角度、慢引纬指令、阀试验指令等数据，并向上位机发送织机引纬状态、织机角度等显示信息。
为了更灵活地进行数据交换，DSP与FPGA以并行数据读写方式进行通信：DSP利用I/O地址空间的高位地址总线的逻辑组合来产生FPGA片选信号，低位地址总线产生要访问数据的地址；利用16 bit数据总线传输数据。在完成串并行通信的同时，DSP通过I/O口把织机的当前状态、当前花色等信号输出给FPGA，保证FPGA中多路选择器正常工作。
3.2 FPGA信号产生模块软件设计
FPGA程序结构框图如图3所示，其子模块有：织机角度检测模块、并行通信接口模块、引纬信号产生模块、多路选择模块、高低压驱动信号产生模块等。

3.2.1 织机角度检测模块
喷气织机的主机编码器一般都是相对型编码器，其产生角度的A、B、Z三个差分信号接FPGA的差分I/O口。Z相是零度信号，当Z相输出有效信号时，主机角度为0°；A相和B相输出相位相差90°的正交信号，当A相超前B相90°时为正转，当A相滞后B相90°时为反转。A相和B相逻辑与之后的脉冲数为织机转过的度数；每通过一个脉冲，正转时主机角度加一，反转时主机角度减一。在FPGA内部做一个计数器，Z相信号为计数器的清零信号；A相和B相逻辑与之后的信号为计数信号；A相和B相的相位差为计数方向；计数器的输出就是织机角度，这样就把相对型编码器的信号转化为0°～360°的织机角度。